CN103812476B - 正弦波脉冲宽度调变控制器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种正弦波脉冲宽度调变控制器，包括边缘侦测单元、缓存器、角度递增单元、正弦波计算单元、乘法单元及正弦波输出单元，且边缘侦测单元接收外部电气装置的回授输入信号，以产生边缘信号，缓存器储存并输出参数信号，角度递增单元接收边缘信号及参数信号，决定脉冲宽度调变循环次数而产生角度信号，正弦波计算单元接收并依据角度信号以进行坐标旋转数字计算的递归算法而产生正弦波计算值，乘法单元接收正弦波计算值并乘上振幅信号而产生脉冲宽度信号，而由正弦波输出单元接收以产生驱动信号，藉以驱动外部电气装置而在该动作元件上产生具有正弦波的端电压。

Description

正弦波脉冲宽度调变控制器

技术领域

本发明是有关于一种脉冲宽度调变控制器，尤其是可用于产生正弦波脉冲宽度调变驱动信号。

背景技术

在电机领域及电子领域，尤其是电源转换领域，很需要高精确度的正弦波，而现有技术一般是以查表方式将大量的正弦数值储存至内存中，并在使用时，依据所需的角度读取内存中相对应的正弦数值。

然而，现有技术的缺点在于需要很大容量的内存，且对精确度的改善相当有限。因此，需要一种正弦波脉冲宽度调变控制器，利用适当的算法进行计算，以节省内存，并简化整体系统架构，进而解决上述现有技术的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种正弦波脉冲宽度调变控制器，包括边缘侦测单元、缓存器、角度递增单元、正弦波计算单元、乘法单元以及正弦波输出单元，用以驱动外部电气装置产生正弦波，其中外部电气装置至少包括一动作元件。

边缘侦测单元接收外部电气装置的回授输入信号，并进行边缘侦测以产生边缘信号，缓存器储存至少一参数，并至少输出参数信号、振幅信号及操作模式，且缓存器的参数是由系统预设或由使用者设定，角度递增单元接收边缘信号及参数信号，以决定脉冲宽度调变循环次数，进而产生角度信号。

正弦波计算单元接收并依据角度信号以进行坐标旋转数字计算的递归算法，进而产生正弦波计算值，乘法单元接收正弦波计算值，并与来自缓存器的振幅信号进行乘法操作，产生脉冲宽度信号，正弦波输出单元接收脉冲宽度信号而以脉冲宽度调变方式产生多个正弦波驱动信号。

因此，正弦波输出单元所产生的正弦波驱动信号，可驱动外部电气装置而在动作元件上产生具有正弦波的端电压。

附图说明

图1为显示本发明正弦波脉冲宽度调变控制器的示意图；

图2为本发明正弦波脉冲宽度调变控制器所驱动的全桥式电气装置的示意图；

图3为本发明正弦波脉冲宽度调变控制器所驱动的半桥式电气装置的示意图；

图4为显示本发明中CORDIC递归算法的示意图；

图5为显示本发明正弦波脉冲宽度调变控制器的输出波形图。

其中，附图标记说明如下：

10 边缘侦测单元

20 缓存器

30 角度递增单元

40 正弦波计算单元

50 乘法单元

60 正弦波输出单元

70 外部电气装置

AM 振幅信号

AN 角度信号

C 滤波电容

ED 边缘信号

FB 回授输入信号

L 动作元件

L1 滤波电感

MD 操作模式

PR 参数信号

SQ1 第一正弦波驱动信号

SQ2 第二正弦波驱动信号

SQ3 第三正弦波驱动信号

SQ4 第四正弦波驱动信号

ST 正弦波计算值

SW 脉冲宽度信号

T1 第一驱动晶体管

T2 第二驱动晶体管

T3 第三驱动晶体管

T4 第四驱动晶体管

VH 高压电源线

VL 低压电源线

VO 端电压

具体实施方式

以下配合图式及元件符号对本发明的实施方式做更详细的说明，以使熟悉本领域的技术人员在研读本说明书后能据以实施。

参考图1，为本发明正弦波脉冲宽度调变控制器的示意图。如图1所示，本发明的正弦波脉冲宽度调变(Sine Pulse Width Modulation，SIN PWM)控制器包括边缘侦测单元10、缓存器20、角度递增单元30、正弦波计算单元40、乘法单元50以及正弦波输出单元60，用以具体实现坐标旋转数字计算(Coordinate Rotation Digital Computer，CORDIC)的递归算法，驱动外部电气装置70以产生正弦波，而进一步而言，本发明的正弦波脉冲宽度调变控制器主要是形成回授回路，可对外部电气装置70提供稳定的回授控制。

上述的外部电气装置70可包括图2或图3所示的装置，分别为全桥式电气装置及半桥式电气装置。不过，要注意的是，图2或图3的装置只是用以说明本发明的技术特征而已，并非用以限定本发明的范围。

首先，说明图2的全桥式电气装置，主要包括第一驱动晶体管T1、第二驱动晶体管T2、第三驱动晶体管T3、第四驱动晶体管T4、动作元件L、滤波电感L1及滤波电容C，其中第一驱动晶体管T1、第二驱动晶体管T2、第三驱动晶体管T3及第四驱动晶体管T4分别由第一正弦波驱动信号SQ1、第二正弦波驱动信号SQ2、第三正弦波驱动信号SQ3及第四正弦波驱动信号SQ4驱动。第一驱动晶体管T1及第二驱动晶体管T2串接而连接至高压电源线VH及低压电源线VL之间。类似地，第三驱动晶体管T3及第四驱动晶体管T4串接而连接至高压电源线VH及低压电源线VL之间。此外，滤波电感L1及滤波电容C串接而连接至第一驱动晶体管T1及第二驱动晶体管T2的串接点以及第三驱动晶体管T3及第四驱动晶体管T4的串接点，而动作元件L是当作负载，且并联至滤波电容C。

参考图3，半桥式电气装置是类似于图2的全桥架构，包括第一驱动晶体管T1、第二驱动晶体管T2、第一电容C1、第二电容C2、动作元件L、滤波电感L1及滤波电容C，其中第一驱动晶体管T1、第二驱动晶体管T2分别由第一正弦波驱动信号SQ1、第二正弦波驱动信号SQ2驱动，第一驱动晶体管T1、第二驱动晶体管T2串接且第一电容C1、第二电容C2串接而进一步连接至高压电源线VH及低压电源线VL之间。滤波电感L1及滤波电容C串接而连接至第一驱动晶体管T1及第二驱动晶体管T2的串接点以及动作元件L的一端，而动作元件L并联滤波电容C，且动作元件L的另一端连接至第一电容C1、第二电容C2的串接点。

上述动作元件L的端电压VO可经电压衰减器(图未示)而形成图1的回授输入信号FB，或者可用流过动作元件L的电流经电流衰减器(图未示)而形成回授输入信号FB。

在图1中，正弦波脉冲宽度调变控制器的边缘侦测单元10接收来自外部电气装置70的回授输入信号FB，进行边缘侦测以决定现在的波形为正半周或者是负半周，进而产生边缘信号ED。缓存器20储存至少一参数，并至少输出参数信号PR、振幅信号AM、操作模式MD，且缓存器20的参数可由系统预设或由使用者设定，并可包括递增的输入角度(比如1°或1.5°)、正弦波的振幅、失效时间(dead time)、正弦波宽度调变的启动控制位。

角度递增单元30接收来自边缘侦测单元10的边缘信号ED以及来自缓存器20的参数信号PR，以决定半周中PWM循环次数(PWM cycles)，进而产生角度信号AN。例如，参数信号PR为1时，每个半周有180个PWM循环，而在参数信号PR为0.5时，每个半周有360个PWM循环。

正弦波计算单元40接收并依据角度递增单元30的角度信号AN，进行右位移处理，以实现CORDIC的递归算法，而产生正弦波计算值ST。以下简要说明CORDIC的递归算法。

正弦波目前的振幅，sin(θ)，可由前一角度的振幅决定，因此，可由角度为0°开始，以均等分布的角度求出下一角度的振幅。具体而言，参考图4，平面直角坐标中的二点分别具有坐标(X1，Y1)及(X2，Y2)，表示如下：

(X1，Y1)＝(cos(θ1)，sin(θ1))

(X2，Y2)＝(cos(θ2)，sin(θ2))

其中θ1及θ2分别为坐标(X1，Y1)及(X2，Y2)在极坐标的角度，且如图中所示，角度θ为θ2及θ1的差(θ＝θ2-θ1)，因此，坐标(X2，Y2)可藉坐标(X1，Y1)表示如下：

X2＝X1*cos(θ)-Y1*sin(θ)

Y2＝Y1*sin(θ)+Y1*cos(θ)

或进一步整理成：

X2＝cos(θ)*[X1-Y1*tan(θ)]

Y2＝cos(θ)*[X1*tan(θ)+Y1]

以下为上述坐标的一般表示式：

Xn＝cos(θn)*[X_n-1-Y_n-1*tan(θn)]

Yn＝cos(θn)*[X_n-1*tan(θn)+Y_n-1]

其中n为非负整数(n＝0、1、2、3等等)，而θn为第n个坐标(Xn，Yn)相对于前一第n-1个坐标(Xn-1，Yn-1)所夹的角度，且θn(n＝0)的初始值为0°，而之后n＝1、2、3时，θn角度分别为45°、26.565°、14.0362°，亦即θn＝tan^-1(1/2^n-1)。

因此，正弦波计算单元40的具体操作是依据CORDIC递归算法将目前数值进行右移一位运算而计算出tan(θn)，而正弦波计算单元40所产生的正弦波计算值ST是指tan(θn)，亦即1/2^n-1。

乘法单元50接收来自正弦波计算单元40的正弦波计算值ST，并与来自缓存器20的振幅信号AM进行乘法操作，以产生脉冲宽度信号SW，并由正弦波输出单元60接收而以PWM方式产生第一正弦波驱动信号SQ1、第二正弦波驱动信号SQ2、第三正弦波驱动信号SQ3及第四正弦波驱动信号SQ4，藉以驱动外部电气装置70产生正弦波的端电压VO，如图5所示。要注意的是，图3中的半桥式电气装置需要第一正弦波驱动信号SQ1、第二正弦波驱动信号SQ2驱动即可。

因此，本发明的特点主要是在于利用右移一位的正弦波计算单元以计算下一角度的正切值(tan)，用以后续产生所需的正弦波驱动信号，可避免使用大量的查表以存放精确度较高的三角函数值，节省内存，并可简化整体架构，提高操作速度及效率。

以上所述仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制。因此，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。

Claims (6)

1.一种正弦波脉冲宽度调变控制器，用以驱动一外部电气装置，且该外部电气装置至少包括一动作元件，其特征在于，该正弦波脉冲宽度调变控制器包括：

一边缘侦测单元，接收来自该外部电气装置的一回授输入信号，并进行边缘侦测以产生一边缘信号；

一缓存器，储存至少一参数，并至少输出一参数信号、一振幅信号及一操作模式，且该缓存器的参数是由系统预设或由使用者设定；

一角度递增单元，接收该边缘信号及该参数信号，以决定脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation，PWM)循环次数(cycles)，进而产生一角度信号；

一正弦波计算单元，接收并依据该角度信号以进行右位移处理，以实现坐标旋转数字计算(Coordinate Rotation Digital Computer，CORDIC)的递归算法，进而产生一正弦波计算值；

一乘法单元，接收该正弦波计算值，并与来自该缓存器的振幅信号进行乘法操作，以产生一脉冲宽度信号；以及

一正弦波输出单元，接收该脉冲宽度信号而以PWM方式产生一第一正弦波驱动信号、一第二正弦波驱动信号、一第三正弦波驱动信号及一第四正弦波驱动信号，藉以驱动该外部电气装置而在该动作元件上产生具有正弦波的端电压。

2.如权利要求1所述的正弦波脉冲宽度调变控制器，其特征在于，该外部电气装置进一步包括一第一驱动晶体管、一第二驱动晶体管、一第三驱动晶体管、一第四驱动晶体管、一滤波电感及一滤波电容，且该第一驱动晶体管、该第二驱动晶体管、该第三驱动晶体管及该第四驱动晶体管分别由该第一正弦波驱动信号、该第二正弦波驱动信号、该第三正弦波驱动信号及该第四正弦波驱动信号驱动，该第一驱动晶体管及该第二驱动晶体管串接而连接至一高压电源线及一低压电源线之间，该第三驱动晶体管及该第四驱动晶体管串接而连接至该高压电源线及该低压电源线之间，该滤波电感及该滤波电容串接而连接至该第一驱动晶体管及该第二驱动晶体管的一串接点以及该第三驱动晶体管及该第四驱动晶体管的一串接点，而该动作元件是当作负载，且并联至该滤波电容。

3.如权利要求1所述的正弦波脉冲宽度调变控制器，其特征在于，该回授输入信号是该动作元件的端电压经一电压衰减器而形成，或用流过该动作元件的电流经一电流衰减器而形成。

4.一种正弦波脉冲宽度调变控制器，用以驱动一外部电气装置，且该外部电气装置至少包括一动作元件，其特征在于，该正弦波脉冲宽度调变控制器包括：

一边缘侦测单元，接收来自该外部电气装置的一回授输入信号，并进行边缘侦测以产生一边缘信号；

一缓存器，储存至少一参数，并至少输出一参数信号、一振幅信号及一操作模式，且该缓存器的参数是由系统预设或由使用者设定；

一角度递增单元，接收该边缘信号及该参数信号，以决定脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation，PWM)循环次数(cycles)，进而产生一角度信号；

一正弦波计算单元，接收并依据该角度信号以进行右位移处理，以实现坐标旋转数字计算(Coordinate Rotation Digital Computer，CORDIC)的递归算法，进而产生一正弦波计算值；

一乘法单元，接收该正弦波计算值，并与来自该缓存器的振幅信号进行乘法操作，以产生一脉冲宽度信号；以及

一正弦波输出单元，接收该脉冲宽度信号而以PWM方式产生一第一正弦波驱动信号及一第二正弦波驱动信号，藉以驱动该外部电气装置而在该动作元件上产生具有正弦波的端电压。

5.如权利要求4所述的正弦波脉冲宽度调变控制器，其特征在于，该外部电气装置进一步包括一第一驱动晶体管、一第二驱动晶体管、一第一电容、一第二电容、一滤波电感及一滤波电容，且该第一驱动晶体管、该第二驱动晶体管分别由该第一正弦波驱动信号及该第二正弦波驱动信号驱动，该第一驱动晶体管及该第二驱动晶体管串接而连接至一高压电源线及一低压电源线之间，该第一电容及该第二电容串接而连接至该高压电源线及该低压电源线之间，该滤波电感的一端连接至该第一驱动晶体管及该第二驱动晶体管的一串接点，该滤波电感的一另一端连接至该滤波电容的一端及该动作元件的一端，该滤波电容的一另一端及该动作元件的一另一端连接该第一电容及该第二电容的一串接点，且该动作元件是并联至该滤波电容。

6.如权利要求4所述的正弦波脉冲宽度调变控制器，其特征在于，该回授输入信号是该动作元件的端电压经一电压衰减器而形成，或用流过该动作元件的电流经一电流衰减器而形成。